(57)【要約】【課題】      発電性能を低下させることなく耐久性を向上させることが可能な燃料電池を提供する。【解決手段】  電解質膜１１と、当該電解質膜１１の両側に設けられるアノード電極１２及びカソード電極１３とを備えるＭＥＡ１５、を備える燃料電池１００であって、電解質膜１１、アノード電極１２、及び、電解質膜１１とアノード電極１２との間、からなる領域の少なくともいずれか一の領域に、過酸化水素分解性能を有する物質が備えられ、過酸化水素分解性能を有する当該物質が、金属元素の単体、及び／又は当該金属元素を含む化合物である、燃料電池１００とする。【選択図】    図１
2006244782.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、該電解質膜の両側に設けられるアノード電極及びカソード電極とを備えるＭＥＡ、を備える燃料電池であって、
前記電解質膜、前記アノード電極、及び、前記電解質膜と前記アノード電極との間、からなる領域の少なくともいずれか一の領域に、過酸化水素分解性能を有する物質が備えられ、
過酸化水素分解性能を有する該物質が、金属元素の単体、及び／又は該金属元素を含む化合物であることを特徴とする、燃料電池。
【請求項２】
前記アノード電極が、触媒層と拡散層とを含み、
該アノード電極に過酸化水素分解性能を有する前記物質が備えられる場合、過酸化水素分解性能を有する該物質は、前記触媒層、前記拡散層、及び、前記触媒層と前記拡散層との間、からなる領域の少なくともいずれか一の領域に、備えられることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
過酸化水素分解性能を有する前記物質が、遷移金属元素又は希土類金属元素からなる元素群に含まれる金属元素の単体、及び／又は該金属元素を含む化合物であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
過酸化水素分解性能を有する前記物質が、セリウム含有酸化物であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、特に、発電性能を低下させることなく耐久性を向上させることが可能な燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質と、当該電解質の両側に配置される電極（カソード及びアノード）とを備える膜電極接合体（以下において、「ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）」と記述する。）における電気化学反応により発生した電気エネルギーを、このＭＥＡの両側に配設されるセパレータを介して外部に取り出している。この燃料電池の中でも、家庭用コージェネレーション・システムや自動車等に使用される固体高分子型燃料電池（以下において、「ＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte Fuel Cell）」と記述する。）は、低温領域での運転が可能であり、５０〜１００℃の運転温度で使用されるのが一般的である。また、ＰＥＦＣは、５０〜６０％の高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車や携帯用電源の最適な動力源として注目されている。
【０００３】
ＰＥＦＣのユニットセルは、電解質膜、触媒層と拡散層とを備えるカソード及びアノード、並びに、セパレータを含み、その理論起電力は１．２３Ｖである。しかし、かかる低起電力では電気自動車等の動力源として不十分であるため、通常は、ユニットセルを直列に積層した積層体の積層方向両端にエンドプレート等を配置して構成されるスタック形態の燃料電池が使用されている。
【０００４】
他方、燃料電池の発電時にユニットセル内の触媒層で過酸化水素が生成され、この過酸化水素から生成されるＯＨラジカルが起点となってＭＥＡの高分子電解質を劣化させていることが明らかになりつつある。かかる劣化は、燃料電池の発電性能低下の一因となるため、ＭＥＡ内の過酸化水素を低減することで上記劣化を抑制し、燃料電池の耐久性及び発電性能を向上させることが望まれている。
【０００５】
燃料電池の発電性能向上を目的とした技術は、これまでにいくつか開示されてきている。例えば、特許文献１には、Ｐｔを担持した担体にＣｅＯ２を担持させて成ることを特徴とする燃料電池用カソード触媒に関する技術が開示されており、かかる触媒を用いることで、カソードにおける酸素の還元反応速度を上昇させることが可能になるとしている。また、特許文献２には、カソード側の電極が、酸化物と触媒と固体高分子電解質材とからなる触媒・酸化物・高分子電解質薄層を含むことを特徴とする燃料電池に関する技術が開示されており、かかる燃料電池とすることで、クロスオーバーが抑制され、クロスオーバーによる発電性能の低下を防止することが可能になるとしている。
【特許文献１】特開２００３−１００３０８号公報
【特許文献２】特開２００３−８６１９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に開示されている技術では、燃料電池内の電気化学反応に寄与しないＣｅＯ２を、カソード触媒に担持させている。ここに、燃料電池内の電気化学反応は、カソード反応が律速であることが知られている。そのため、燃料電池内の電気化学反応に寄与しないＣｅＯ２をカソード触媒に担持させると、カソードにおける電気化学反応の反応速度が低下し、燃料電池の発電性能が低下する虞があるという問題があった。また、特許文献２に開示されている技術によっても、燃料電池の耐久性を向上させることは困難であるという問題があった。
【０００７】
そこで本発明は、発電性能を低下させることなく耐久性を向上させることが可能な燃料電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
請求項１に記載の発明は、電解質膜と、当該電解質膜の両側に設けられるアノード電極及びカソード電極とを備えるＭＥＡ、を備える燃料電池であって、電解質膜、アノード電極、及び、電解質膜とアノード電極との間、からなる領域の少なくともいずれか一の領域に、過酸化水素分解性能を有する物質が備えられ、過酸化水素分解性能を有する当該物質が、金属元素の単体、及び／又は当該金属元素を含む化合物であることを特徴とする、燃料電池により、上記課題を解決する。
【０００９】
ここに、本発明において、過酸化水素分解性能を有する物質は、過酸化水素分解性能を有する金属単体及び／又は当該金属元素を含む金属化合物であれば特に限定されるものではない。当該物質の具体例としては、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｃｅ、Ｒｂ、Ｃｏ、Ｉｒ、Ａｇ、Ａｕ、Ｒｈ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｏｓ等からなる単体及び／又は上記元素を含む化合物を挙げることができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池であって、アノード電極が、触媒層と拡散層とを含み、アノード電極に過酸化水素分解性能を有する物質が備えられる場合、過酸化水素分解性能を有する当該物質は、触媒層、拡散層、及び、触媒層と拡散層との間、からなる領域の少なくともいずれか一の領域に、備えられることを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の燃料電池であって、過酸化水素分解性能を有する物質が、遷移金属元素又は希土類金属元素からなる元素群に含まれる金属元素の単体、及び／又は当該金属元素を含む化合物であることを特徴とする。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池であって、過酸化水素分解性能を有する物質が、セリウム含有酸化物であることを特徴とする。
【００１３】
ここに、本発明において、セリウム含有酸化物の具体例としては、ＣｅＯ２等を挙げることができる。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に記載の発明によれば、過酸化水素分解性能を有する物質が、電解質膜、アノード電極、及び、電解質膜とアノード電極との間からなる領域の少なくともいずれか一の領域（以下において、「アノード側」と記述することがある。）に備えられているので、当該物質及び／又は当該物質から溶出したイオンにより、ＭＥＡ内の過酸化水素を分解することが可能になる。ＭＥＡ内に存在する過酸化水素は、ＭＥＡの劣化、特に電解質膜の劣化の一因となるため、ＭＥＡ内の過酸化水素を分解することで、電解質膜の劣化を抑制することが可能になる。また、本発明によれば、燃料電池における電気化学反応の律速部位であるカソード電極ではなく、それ以外の上記領域に過酸化水素分解性能を有する物質が備えられているので、燃料電池の発電性能を低下させる虞が少ない。加えて、本発明によれば、過酸化水素分解性能を有する物質がアノード側に備えられており、生成水による当該物質の流出がカソード側よりも少ないので、当該物質の過酸化水素分解効果を長期間に亘って維持することが可能になる。したがって、請求項１に記載の発明によれば、発電性能を低下させることなく耐久性を向上させることが可能な燃料電池を提供することが可能になる。
なお、以下において、それ自体が過酸化水素分解性能を有する物質（金属単体・金属化合物）と、過酸化水素分解性能を有するイオンを溶出させる物質（金属単体・金属化合物）とを、まとめて「過酸化水素分解物質」と表記する。
【００１５】
請求項２に記載の発明によれば、過酸化水素分解性能を有する物質がアノード電極に備えられる場合には、アノード触媒層、アノード拡散層、及び、アノード触媒層とアノード拡散層との間、からなる領域の少なくともいずれか一の領域に備えられるので、アノード電極の触媒層において生じる過酸化水素を効果的に分解することが可能になる。したがって、請求項２に記載の発明によれば、発電性能を低下させることなく耐久性を効果的に向上させることが可能な燃料電池を提供することが可能になる。
【００１６】
請求項３に記載の発明によれば、遷移金属元素単体若しくは当該元素を含む化合物、及び／又は、希土類金属元素単体若しくは当該元素を含む化合物を、電解質膜、アノード電極、及び、電解質膜とアノード電極との間からなる領域の少なくともいずれか一の領域に備えることが可能になる。そのため、過酸化水素分解物質及び／又は当該物質から溶出したイオンにより、ＭＥＡ内の過酸化水素を分解することが可能になる。したがって、請求項３に記載の発明によれば、発電性能を低下させることなく耐久性を向上させることが可能な燃料電池を提供することが可能になる。
【００１７】
請求項４に記載の発明によれば、電解質膜、アノード電極、及び、電解質膜とアノード電極からなる領域の少なくともいずれか一の領域に、セリウム含有酸化物が備えられている。ここに、セリウム含有酸化物から生じるＣｅ３＋は過酸化水素を効果的に分解可能であるほか、セリウム含有酸化物は自動車触媒用の材料として一般的に普及している。したがって、請求項４に記載の発明によれば、発電性能を低下させることなく耐久性を向上させることが可能な燃料電池を容易に提供することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
燃料電池の発電時には、アノード電極の触媒層で過酸化水素が生じることが知られており、この過酸化水素から生成されるＯＨラジカルによって、ＭＥＡ（例えば、電解質膜等）の電解質物質が劣化する。これまでに、過酸化水素分解性能を有するイオンを溶出させる化合物（例えば、ＣｅＯ２等）をＭＥＡ内に含む構成の燃料電池に関する技術は開示されているが、従来技術における当該化合物の適用は、カソード電極における反応性向上を目的としたものに留まっており、過酸化水素分解性能を有する金属単体及び／又は当該金属を含む化合物を、電解質膜、アノード電極、及び電解質膜とアノード電極との間からなる領域の少なくともいずれか一の領域に備える燃料電池に関する技術は未だ開示されていない。過酸化水素分解物質を上記領域に備えれば、燃料電池内の電気化学反応の反応速度を低下させることなく、すなわち、燃料電池の発電性能を低下させることなく、ＭＥＡ内で生成される過酸化水素を分解することが可能になり、長期間に亘って電解質層の劣化を抑制することが容易になる。したがって、かかる構成とすることで、燃料電池の発電性能を低下させることなく耐久性を向上させ得る燃料電池を提供することが可能になる。
【００１９】
本発明は、このような観点からなされたものであり、その要旨は、例えばＣｅＯ２等に代表される過酸化水素分解物質が、電解質膜、アノード電極、及び電解質膜とアノード電極との間からなる領域の少なくともいずれか一の領域に備えられる構成とすることで、発電性能を低下させることなく耐久性を向上させることが可能な燃料電池を提供することにある。
【００２０】
以下に図面を参照しつつ、本発明の燃料電池ついてさらに具体的に説明する。
【００２１】
１．燃料電池の構成
図１は、第１実施形態にかかる本発明の燃料電池を概略的に示す断面図である。図示のように、第１実施形態にかかる本発明の燃料電池１００は、電解質膜１１と当該電解質膜１１の両側に配置されるアノード電極１２（以下、単に「アノード１２」と記述する。）及びカソード電極１３（以下、単に「カソード１３」と記述する。）とを備えるＭＥＡ１５、並びに、当該ＭＥＡ１５の外側に配置されるセパレータ１６ａ、１６ｂを備え、アノード１２及び電解質膜１１にはセリウム含有酸化物（以下において、「ＣｅＯ２」と記述する。）が混入されている。アノード１２は、アノード触媒層１２ａ及びアノード拡散層１２ｂを備える一方、カソード１３は、カソード触媒層１３ａ及びカソード拡散層１３ｂを備え、触媒層１２ａ及び１３ａは電解質膜１１側に、拡散層１２ｂ及び１３ｂはセパレータ１６ａ及び１６ｂ側に、それぞれ配置されている。ＭＥＡ１５の外側に配置されるセパレータ１６ａ及び１６ｂには、拡散層１２ｂ及び１３ｂ側に反応ガス供給路１８ａ、１８ａ、…、及び１８ｂ、１８ｂ、…が形成されており、アノード１２側の反応ガス供給路１８ａ、１８ａ、…には水素含有物質（以下において、「水素」と記述する。）が供給される一方、カソード１３側の反応ガス供給路１８ｂ、１８ｂ、…には酸素含有物質（以下において、「空気」と記述する。）が供給され、これらの反対側の面には冷却媒体流路１７、１７、…が形成されている。
【００２２】
燃料電池の発電時には、反応ガス供給路１８ｂ、１８ｂ、…から供給される空気に含まれる酸素の一部が、電解質膜１１を透過して、アノード触媒層１２ａへと達する場合がある。この酸素が触媒層１２ａ（当該触媒層１２ａに、例えば白金担持カーボンからなる触媒が含まれている場合には、白金上及び／又はカーボン上）において還元されると過酸化水素が生成され、さらに、当該過酸化水素に起因するＯＨラジカルが生成される。ＯＨラジカルは、電解質膜１１の劣化の一因となり、この劣化が進行すると電解質膜１１が破損する。電解質膜１１が破損すると、燃料電池の電圧が低下し、発電性能の低下を招くため、かかる破損の一因となる過酸化水素を予め分解することで、電解質膜の劣化を抑制し、燃料電池の耐久性を向上させることが望ましい。そこで、本実施形態にかかる燃料電池１００では、電解質膜１１、アノード触媒層１２ａ、及びアノード拡散層１２ｂに、過酸化水素分解性能を有するＣｅ３＋を溶出させるＣｅＯ２を混入することで、触媒層１２ａにて生成された過酸化水素を分解し、電解質膜１１の劣化を抑制している。
【００２３】
本発明にかかる燃料電池１００は、アノード１２、電解質膜１１、及びアノード１２と電解質膜１１との間からなる領域に、ＣｅＯ２が備えられる点に特徴を有する。以下に、かかる領域にＣｅＯ２を配置することにより得られる効果を示す。
【００２４】
アノード触媒層では、反応ガス供給路及びアノード拡散層を介して供給された水素から電子と水素イオンとが生成される電気化学反応が起こる。一方、カソード触媒層では、電子、反応ガス供給路及びカソード拡散層を介して供給された空気内に含まれる酸素、及び電解質膜を通過してきた水素イオンから水が生成される電気化学反応が起こる。通常、アノード及びカソードにおける電気化学反応の反応速度には差があることが知られており、燃料電池内では、カソード反応が電気化学反応の律速となっている。ここで、過酸化水素分解物質をＭＥＡ内に混入させる場合には、カソードも混入部位の候補になり得る。しかし、燃料電池内における電気化学反応の律速部位であるカソードに過酸化水素分解物質を混入させると、当該過酸化水素分解物質がカソードにおける電気化学反応に寄与しない場合には、カソードの電気化学反応を阻害し、当該反応の反応速度を一層低下させるという問題がある。これに対し、上記過酸化水素分解物質がカソードの電気化学反応にも寄与する場合、当該物質（例えば、Ｐｔ等）がカソード反応の速度を低下させる虞は少ないと考えられるが、このような物質は高価であることが多いため、燃料電池の製造コストの増加を招きやすいという問題がある。また、通常、カソードへと供給される空気の流量はアノードへと供給される水素の流量よりも多いほか、カソードでは電気化学反応により水が生成される。すなわち、カソードではアノードよりも多くの物質が移動しているため、過酸化水素分解物質をカソードに混入させると、当該過酸化水素分解物質はカソード内を移動する物質により持ち去られやすく、過酸化水素分解性能を長期間に亘って維持し難いという問題もある。
【００２５】
そこで、これらの問題を回避するため、本発明では、ＣｅＯ２等の過酸化水素分解物質を、電解質膜、アノード電極（アノード触媒層、アノード拡散層）、及び電解質膜とアノード電極との間からなる領域の少なくともいずれか一の領域に備える構成としている。かかる構成とすれば、過酸化水素分解物質によりＭＥＡ内の過酸化水素を分解することが可能になる。さらに、かかる構成とすることで、アノード触媒層の過酸化水素を分解することも可能になるため、アノード逆拡散水中の過酸化水素による、電解質膜及びカソード触媒層中の電解質物質の劣化を防止することも可能になる。したがって、本発明によれば、発電性能を低下させることなく耐久性を向上させ得る燃料電池を、比較的安価に提供することが可能になる。
【００２６】
本発明の燃料電池では、電解質膜、アノード（アノード触媒層、アノード拡散層）、電解質膜とアノードとの間からなる領域の少なくともいずれか一の領域にＣｅＯ２等の過酸化水素分解物質が備えられていれば、当該過酸化水素分解物質の配置形態は特に限定されるものではない。図１に示す燃料電池１００のように、電解質膜１１、アノード触媒層１２ａ、及びアノード拡散層１３ａにＣｅＯ２が備えられていても良く、例えば、電解質膜１１、アノード触媒層１２ａ、又はアノード拡散層１３ａの１つの部位のみにＣｅＯ２が備えられていても良い。そこで、以下に、電解質膜１１、アノード触媒層１２ａ、又はアノード拡散層１３ａの１つの部位のみにＣｅＯ２が備えられている形態の燃料電池について説明する。
【００２７】
図２（Ａ）は、第２実施形態にかかる本発明の燃料電池を概略的に示す断面図である。図示のように、第２実施形態にかかる本発明の燃料電池２００は、電解質膜１１と当該電解質膜１１の両側に配置されるアノード２２及びカソード１３とを備えるＭＥＡ２５、並びに、当該ＭＥＡ２５の外側に配置されるセパレータ１６ａ、１６ｂを備え、電解質膜１１にＣｅＯ２が混入されている。アノード２２は、アノード触媒層２２ａ及びアノード拡散層２２ｂを備える一方、カソード１３は、カソード触媒層１３ａ及びカソード拡散層１３ｂを備え、触媒層２２ａ及び１３ａは電解質膜１１側に、拡散層２２ｂ及び１３ｂはセパレータ１６ａ及び１６ｂ側に、それぞれ配置されている。なお、図２（Ａ）において、第１実施形態にかかる燃料電池１００の構成部位と同一の構成を採る部位には、図１の構成部位に付した符号と同符号を付し、その詳細説明を省略する。
【００２８】
図２（Ａ）に示すように、電解質膜１１にＣｅＯ２が混入されていれば、電解質膜１１を劣化させるＯＨラジカルの発生源である過酸化水素を、劣化部位である電解質膜１１にて分解することが可能になるため、電解質膜１１の劣化を直接的に防止することが可能になる。したがって、かかる構成とすることで、発電性能を低下させることなく耐久性を向上させ得る燃料電池２００を提供することが可能になる。
【００２９】
図２（Ｂ）及び（Ｃ）は、第２実施形態にかかる本発明の燃料電池の、さらに詳細な態様例を概略的に示す断面図である。図２（Ｂ）に示すように、本態様にかかる燃料電池２１０は、電解質膜１１のアノード触媒層側の部位１１ａに、ＣｅＯ２が混入されている。一方、図２（Ｃ）に示すように、本態様にかかる燃料電池２２０は、電解質膜１１のカソード触媒層側の部位１１ｃに、ＣｅＯ２が混入されている。なお、図２（Ｂ）及び（Ｃ）において、上記燃料電池２００の構成部位と同一の構成を採る部位には、図２（Ａ）の構成部位に付した符号と同符号を付し、その詳細説明を省略する。
【００３０】
図２（Ｂ）に示すように、電解質膜１１のアノード触媒層側の部位１１ａに、ＣｅＯ２が混入されていれば、触媒層２２ａにて生じ電解質膜１１に到達した過酸化水素を、上記部位１１ａにて分解することが可能になる。したがって、かかる構成とすることで、電解質膜１１の劣化を効果的に抑制することが可能になるため、発電性能を低下させることなく耐久性を向上させ得る燃料電池２１０を提供することが可能になる。
【００３１】
一方、図２（Ｃ）に示すように、電解質膜１１のカソード触媒層側の部位１１ｃにＣｅＯ２が混入されていても、電解質膜１１内の過酸化水素を分解することが可能になる。したがって、かかる構成であっても、電解質膜１１の劣化を抑制することが可能になるため、発電性能を低下させることなく耐久性を向上させ得る燃料電池２２０を提供することが可能になる。
【００３２】
図３（Ａ）は、第３実施形態にかかる本発明の燃料電池を概略的に示す断面図である。図示のように、第３実施形態にかかる本発明の燃料電池３００は、電解質膜３１と当該電解質膜３１の両側に配置されるアノード３２及びカソード１３とを備えるＭＥＡ３５、並びに、当該ＭＥＡ３５の外側に配置されるセパレータ１６ａ、１６ｂを備えている。アノード３２は、アノード触媒層１２ａ及びアノード拡散層２２ｂを備える一方、カソード１３は、カソード触媒層１３ａ及びカソード拡散層１３ｂを備え、触媒層１２ａ及び１３ａは電解質膜３１側に、拡散層２２ｂ及び１３ｂはセパレータ１６ａ及び１６ｂ側に、それぞれ配置されている。そして、ＣｅＯ２はアノード触媒層１２ａに混入されている。なお、図３（Ａ）において、第１実施形態にかかる燃料電池１００及び／又は第２実施形態にかかる燃料電池２００の構成部位と同一の構成を採る部位には、図１及び／又は図２（Ａ）の構成部位に付した符号と同符号を付し、その詳細説明を省略する。
【００３３】
図３（Ａ）に示すように、アノード触媒層１２ａにＣｅＯ２が混入されていれば、電解質膜３１を劣化させるＯＨラジカルの発生源である過酸化水素を、当該過酸化水素の発生部位である触媒層１２ａにおいて分解することが可能になるため、電解質膜３１の劣化を効果的に防止することが可能になる。したがって、かかる構成とすることで、発電性能を低下させることなく耐久性を向上させ得る燃料電池３００を提供することが可能になる。
【００３４】
図３（Ｂ）及び（Ｃ）は、第３実施形態にかかる本発明の燃料電池の、さらに詳細な態様例を概略的に示す断面図である。図３（Ｂ）に示すように、本態様にかかる燃料電池３１０は、アノード触媒層１２ａのアノード拡散層側の部位１２ｄに、ＣｅＯ２が混入されている。一方、図３（Ｃ）に示すように、本態様にかかる燃料電池３２０は、アノード触媒層１２ａの電解質膜側の部位１２ｅに、ＣｅＯ２が混入されている。なお、図３（Ｂ）及び（Ｃ）において、上記燃料電池３００の構成部位と同一の構成を採る部位には、図３（Ａ）の構成部位に付した符号と同符号を付し、その詳細説明を省略する。
【００３５】
図３（Ｂ）に示すように、アノード触媒層１２ａの拡散層側の部位１２ｄに、ＣｅＯ２が混入されていれば、触媒層１２ａにて生成された過酸化水素を当該触媒層１２ａ内にて分解することが可能になる。したがって、かかる構成とすることで、電解質膜３１の劣化を抑制することが可能になるため、発電性能を低下させることなく耐久性を向上させ得る燃料電池３１０を提供することが可能になる。
【００３６】
一方、図３（Ｃ）に示すように、アノード触媒層１２ａの電解質膜側の部位１２ｅに、ＣｅＯ２が混入されていれば、触媒層１２ａにて生じた過酸化水素が電解質膜３１へと到達する前に、当該触媒層１２ａ内にて過酸化水素を分解することが可能になる。したがって、かかる構成とすることで、電解質膜３１の劣化をより効果的に抑制することが可能になるため、発電性能を低下させることなく耐久性を向上させ得る燃料電池３２０を提供することが可能になる。
【００３７】
図４（Ａ）は、第４実施形態にかかる本発明の燃料電池を概略的に示す断面図である。図示のように、第４実施形態にかかる本発明の燃料電池４００は、電解質膜３１と当該電解質膜３１の両側に配置されるアノード４２及びカソード１３とを備えるＭＥＡ４５、並びに、当該ＭＥＡ４５の外側に配置されるセパレータ１６ａ、１６ｂを備えている。アノード４２は、アノード触媒層２２ａ及びアノード拡散層１２ｂを備える一方、カソード１３は、カソード触媒層１３ａ及びカソード拡散層１３ｂを備え、触媒層２２ａ及び１３ａは電解質膜１１側に、拡散層１２ｂ及び１３ｂはセパレータ１６ａ及び１６ｂ側に、それぞれ配置されている。そして、ＣｅＯ２はアノード拡散層１２ｂに混入されている。なお、図４（Ａ）において、第１実施形態にかかる燃料電池１００及び／又は第２実施形態にかかる燃料電池２００の構成部位と同一の構成を採る部位には、図１及び／又は図２（Ａ）の構成部位に付した符号と同符号を付し、その詳細説明を省略する。
【００３８】
図４（Ａ）に示すように、アノード拡散層１２ｂにＣｅＯ２が混入されていれば、アノード拡散層１２ｂはアノードの反応場ではないため、アノード反応の反応速度を低下させる虞は少ない。ＣｅＯ２がアノード拡散層１２ｂに混入されていても、ＣｅＯ２から溶出したＣｅ３＋は、当該拡散層１２ｂ内を供給される水素とともにアノード触媒層２２ａへと到達することが可能である。すなわち、かかる形態の燃料電池４００であっても、アノード触媒層２２ａ及び／又は電解質膜３１にて過酸化水素を分解することが可能であるため、電解質膜３１の劣化を防止することが可能になる。したがって、かかる構成とすることで、発電性能を低下させることなく耐久性を向上させ得る燃料電池４００を提供することが可能になる。
【００３９】
図４（Ｂ）及び（Ｃ）は、第４実施形態にかかる本発明の燃料電池の、さらに詳細な態様例を概略的に示す断面図である。図４（Ｂ）に示すように、本態様にかかる燃料電池４１０は、アノード拡散層１２ｂのセパレータ側の部位１２ｓに、ＣｅＯ２が混入されている。これに対し、図４（Ｃ）に示すように、本態様にかかる燃料電池４２０は、アノード拡散層１２ｂのアノード触媒層側の部位１２ｃに、ＣｅＯ２が混入されている。なお、図４（Ｂ）及び（Ｃ）において、上記燃料電池４００の構成部位と同一の構成を採る部位には、図４（Ａ）の構成部位に付した符号と同符号を付し、その詳細説明を省略する。
【００４０】
上述のように、アノード拡散層１２ｂにＣｅＯ２が混入されていても、電解質膜３１の劣化を抑制することが可能であるため、かかる構成とすることで、発電性能を低下させることなく耐久性を向上させ得る燃料電池４１０又は４２０を提供することが可能になる。
【００４１】
２．ＣｅＯ２の分散方法
電解質膜、アノード触媒層、アノード拡散層へＣｅＯ２を混合・分散させる方法について、以下に説明する。
【００４２】
本発明の燃料電池に備えられる電解質膜は、例えば、溶融状態の電解質から成形される。一方、本発明の燃料電池１００、２００、２１０、２２０、３００、３１０、３２０、４００、４１０、４２０に備えられるＣｅＯ２は粉状物である。そのため、溶融状態の電解質（以下において、「電解質インク」と記述することがある。）中に粉状のＣｅＯ２を分散させる等の方法により、ＣｅＯ２を分散させた電解質膜とすることが可能になる。なお、本発明にかかる電解質膜は、層に分けて製造することも可能である。そのため、例えば、アノード触媒層側の部位等にＣｅＯ２が偏在している電解質膜を製造する場合には、アノード触媒層側に配置される電解質膜の部位（第１層）にＣｅＯ２を分散して当該第１層を製造した後、当該第１層の表面にＣｅＯ２が分散されていない電解質膜の層（第２層）を製造する等の方法により、ＣｅＯ２が偏在している電解質膜とすることが可能になる。
【００４３】
本発明の燃料電池に備えられるアノード触媒層は、上記方法等により作製された電解質膜の表面にペースト状の触媒層（以下において、「触媒インク」と記述することがある。）を塗布し乾燥させる等の方法により、製造される。ここに、上記触媒インクは、燃料電池内の電気化学反応において触媒として機能する粉状の白金担持カーボン等を溶媒中に分散させる等の方法により作製される。そのため、上記触媒インクに粉状のＣｅＯ２を分散させる等の方法により、ＣｅＯ２を分散させたアノード触媒層とすることが可能になる。なお、ＣｅＯ２が偏在している触媒層を製造する場合には、ＣｅＯ２を分散させた触媒インクとＣｅＯ２を分散させていない触媒インクとを用意し、一方の触媒層を電解質膜表面に塗布し乾燥させた後、他方の触媒層を当該乾燥させた触媒層の表面に塗布し乾燥させる等の方法により、ＣｅＯ２が偏在している触媒層とすることが可能になる。
【００４４】
本発明の燃料電池に備えられるアノード拡散層は、例えば、カーボンペーパー等からなる基材に、撥水性を有するペースト（以下において、「撥水ペースト」と記述することがある。）を塗布し乾燥させる等の方法により製造される。ここに、上記撥水ペーストは、例えば、カーボン及びポリテトラフルオロエチレン樹脂（ＰＴＦＥ）等を含有している。そのため、撥水ペーストに粉状のＣｅＯ２を分散させる等の方法により、ＣｅＯ２を分散させたアノード拡散層とすることが可能になる。なお、ＣｅＯ２が偏在している拡散層は、ＣｅＯ２が偏在している触媒層の上記製造方法と以下同様の方法等により、製造することができる。
【００４５】
上記実施形態にかかる燃料電池の各部位へＣｅＯ２を分散させる際の具体例を、以下に記述する。
【００４６】
２．１．アノード触媒層に均等に分散させる場合
上記実施形態にかかる燃料電池１００、３００のように、アノード触媒層にＣｅＯ２を均等に分散させる場合には、触媒インク調整時に、当該触媒インクへＣｅＯ２を混合・分散させる。ここで、ＣｅＯ２の混合・分散量は、過酸化水素分解効果を長期間に亘って持続可能とする観点から、触媒目付け量に対して１質量％以上とすることが好ましい。一方で、分散過多による発電性能の低下を抑制するという観点から、混合・分散量は５質量％以下とすることが好ましい。
本発明において、アノード触媒層へ混合・分散させるＣｅＯ２の粒径は、過酸化水素分解性能を効果的に発現可能であれば特に限定されるものではないが、燃料電池外への溶出を抑制し過酸化水素分解効果を長期間に亘って持続可能とする観点から、０．１μｍ以上とすることが好ましい。一方で、あまりに大きなＣｅＯ２を含有させることに起因する電解質膜の損傷を抑制するという観点から、上記粒径は５μｍ以下とすることが好ましい。
上記分量のＣｅＯ２を分散させた後、例えば、ＣｅＯ２を含む触媒インクを電解質膜又はアノード拡散層に塗布し乾燥させることにより、アノード触媒層を形成させる。ここで、上記塗布方法は特に限定されるものではなく、その具体的な方法としては、転写法、スプレー法、あるいは静電塗工法等を挙げることができる。
【００４７】
２．２．アノード触媒層に分散を集中させる場合
上記実施形態にかかる燃料電池３１０、３２０のように、アノード触媒層のアノード拡散層側又は電解質膜側にＣｅＯ２を集中的に分散させる場合には、まず、上記塗布方法等により、ＣｅＯ２を備えない触媒インクを形成させる。その後、触媒インクの触媒目付け量に対して例えば１〜５質量％のＣｅＯ２を混合・分散させたＣｅＯ２含有触媒インクを調整し、上記塗布方法等により当該ＣｅＯ２含有触媒インクをアノード触媒層のアノード拡散層側又は電解質膜側へ塗布し乾燥させることにより、集中的に分散されたＣｅＯ２を備えるアノード触媒層を作製することが可能になる。
【００４８】
２．３．電解質膜に均等に分散させる場合
上記実施形態にかかる燃料電池１００、２００のように、電解質膜にＣｅＯ２を均等に分散させる場合には、電解質膜作製時に、電解質インクへＣｅＯ２を混合・分散させる。ここで、ＣｅＯ２の混合・分散量は、過酸化水素分解効果を長期間に亘って持続可能とする観点から、電解質インク中の電解質成分に対して１質量％以上とすることが好ましい。一方で、分散過多によるイオン導電率の低下を抑制するという観点から、混合・分散量は５質量％以下とすることが好ましい。
本発明において、電解質膜へ混合・分散されるＣｅＯ２の粒径は、過酸化水素分解性能を効果的に発現可能であれば特に限定されるものではない。例えば、電解質膜の厚みが３０〜５０μｍ程度である場合には、あまりに大きなＣｅＯ２を含有させることに起因する触媒層の損傷を抑制するという観点から、上記粒径は１０μｍ以下とすることが好ましい。一方で、ＣｅＯ２を電解質膜に分散させる場合、ＣｅＯ２は電解質膜中の電解質成分によって保持されるため、上記粒径は０．１μｍ以下であっても良いと考えられる。
なお、本発明において、上記分量のＣｅＯ２を分散させた電解質インクから電解質膜を形成する方法は特に限定されるものではなく、形成方法の具体例としては、キャスト法や溶融押出法等を挙げることができる。
【００４９】
２．４．電解質膜に分散を集中させる場合
上記実施形態にかかる燃料電池２１０、２２０のように、電解質膜のアノード触媒層側又はカソード触媒層側にＣｅＯ２を集中的に分散させる場合には、まず、キャスト法等により、ＣｅＯ２を備えない電解質膜を形成させる。その後、電解質インクの電解質成分に対して例えば１〜５質量％のＣｅＯ２を混合・分散させたＣｅＯ２含有電解質インクを調整し、上記形成方法等により当該ＣｅＯ２含有電解質インクを、ＣｅＯ２を備えない上記電解質膜に形成させることにより、集中的に分散されたＣｅＯ２を備える電解質膜を作製することが可能になる。
【００５０】
２．５．アノード拡散層に均等に分散させる場合
上記実施形態にかかる燃料電池１００、４００のように、アノード拡散層にＣｅＯ２を均等に分散させる場合には、撥水ペースト調製時に、撥水ペーストへＣｅＯ２を混合・分散させる。ここで、ＣｅＯ２の混合・分散量は、過酸化水素分解効果を長期間に亘って持続可能とする観点から、撥水ペースト中の固形分比率（あるいは、撥水層目付け）に対して１質量％以上とすることが好ましい。一方で、分散過多による発電性能の低下を抑制するという観点から、混合・分散量は５質量％以下とすることが好ましい。
本発明において、アノード拡散層へ混合・分散させるＣｅＯ２の粒径は、過酸化水素分解性能を効果的に発現可能であれば特に限定されるものではないが、燃料電池外への溶出を抑制し過酸化水素分解効果を長期間に亘って持続可能とする観点から、０．１μｍ以上とすることが好ましい。一方で、あまりに大きなＣｅＯ２を含有させることに起因するアノード触媒層の損傷を抑制するという観点から、上記粒径は５μｍ以下とすることが好ましい。
上記分量のＣｅＯ２を分散させた後、例えば、ＣｅＯ２を含む撥水ペーストを拡散層基材に含侵させることで、均一にＣｅＯ２が分散したアノード拡散層を作製することが可能になる。
【００５１】
２．６．アノード拡散層に分散を集中させる場合
上記実施形態にかかる燃料電池４１０、４２０のように、アノード拡散層のセパレータ側又はアノード触媒層側にＣｅＯ２を集中的に分散させる場合には、まず、ＣｅＯ２を備えない撥水ペーストを拡散層基材に含侵させる等の方法により、撥水処理を施したアノード拡散層を作製する。その後、撥水ペースト中の固形分比率（あるいは、撥水層目付け）に対して例えば１〜５質量％のＣｅＯ２を混合・分散させたＣｅＯ２含有撥水ペーストを調整し、上記塗布方法等により当該ＣｅＯ２含有撥水ペーストをアノード拡散層のセパレータ側又はアノード触媒層側へ塗布し乾燥させることにより、集中的に分散されたＣｅＯ２を備えるアノード拡散層を作製することが可能になる。
【００５２】
上記説明では、便宜上、アノードと電解質膜との間、及びアノード触媒層とアノード拡散層との間に部材が介在していない形態の燃料電池について説明したが、本発明にかかる燃料電池は当該形態に限定されるものではなく、これらの部位に介在物（例えば、発電性能を向上させるための物質等）が備えられている形態であっても良い。本発明にかかる燃料電池がこのような形態を有する場合には、当該介在物にもＣｅＯ２等の過酸化水素分解物質を分散することができる。
【００５３】
アノードと電解質膜との間に介在物が備えられている場合、当該介在物に過酸化水素分解物質が分散されていれば、アノードの触媒層にて生じ電解質膜へと移動する過酸化水素が当該介在物を通過する際に、この過酸化水素を分解することが可能になる。また、アノードと電解質膜との間に備えられる介在物に過酸化水素分解物質が分散されていれば、当該過酸化水素分解物質によりカソードの電気化学反応が阻害される虞は少ない。したがって、かかる構成とすることで、発電性能を低下させることなく耐久性を向上させ得る燃料電池を提供することが可能になる。
【００５４】
一方、アノード触媒層とアノード拡散層との間に介在物が備えられている場合、当該介在物に過酸化水素分解物質が分散されていれば、当該過酸化水素分解物質から溶出した過酸化水素分解性能を有するイオン等により、過酸化水素を分解することが可能になる。また、アノード触媒層とアノード拡散層との間に備えられる介在物に過酸化水素分解物質が分散されている場合も、当該過酸化水素分解物質によりカソードの電気化学反応が阻害される虞は少ない。したがって、かかる構成としても、発電性能を低下させることなく耐久性を向上させ得る燃料電池を提供することが可能になる。
【００５５】
また、便宜上、上記説明では、ＣｅＯ２が分散されている燃料電池について記述したが、本発明にかかる燃料電池が備え得る過酸化水素分解物質はＣｅＯ２に限定されるものではなく、ＭＥＡ内の環境において過酸化水素分解性能を有する物質（金属単体・金属化合物）及び／又はＭＥＡ内の環境において過酸化水素分解性能を有するイオンを生じさせる物質（金属単体・金属化合物）であれば好適に備えることができる。ＭＥＡ内の環境において過酸化水素分解性能を有する物質、又はＭＥＡ内の環境において過酸化水素分解性能を有するイオンを生じさせる物質の具体例としては、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｃｅ、Ｓｅ、Ｒｂ、Ｃｏ、Ｉｒ、Ａｇ、Ａｕ、Ｒｈ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｏｓ、Ｓｉ、Ｃ等からなる単体及び上記元素を含む化合物を挙げることができる。
【００５６】
さらに、上記説明では、拡散層側に反応ガス供給路が形成されている形態のセパレータを備える燃料電池について記述したが、本発明にかかる燃料電池が備え得るセパレータは当該形態に限定されるものではなく、例えば、拡散層側に反応ガス供給路が形成されていないフラットタイプのセパレータであっても良い。
【００５７】
なお、本発明にかかる燃料電池に備えられる各構成要素（電解質膜、アノード触媒層、アノード拡散層、カソード触媒層、カソード拡散層、及びセパレータ等）の構成材料は特に限定されるものではなく、通常のＰＥＦＣにおいてこれら構成要素を構成し得る材料を適宜利用することができる。
【実施例】
【００５８】
上記混合・分散方法によりＣｅＯ２を均等に分散させた電解質膜、アノード触媒層、及びアノード拡散層を備える燃料電池（実施例）と、ＣｅＯ２を備えない燃料電池（比較例）とを用いて耐久試験を行い、これらの燃料電池から回収した水の中に含まれるＦイオン量（Ｆ溶出量）をそれぞれ測定した。なお、本実施例及び比較例にかかる燃料電池は、何れも、フッ素系の樹脂を含む電解質膜を備えていた。また、フッ素系樹脂を含む電解質膜が劣化するとＦイオンが溶出するため、Ｆ溶出量は耐久性の指標となる。
【００５９】
耐久試験において、実施例にかかる燃料電池と比較例にかかる燃料電池とは、通常運転時における発電性能が略同等であった。また、Ｆ溶出量測定において、比較例にかかる燃料電池では、時間が経過するにつれて多くのＦイオンが溶出したが、実施例にかかる燃料電池では、Ｆイオンの溶出量が低減された。したがって、本発明によれば、発電性能を低下させることなく耐久性を向上させ得る燃料電池を提供可能であることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】第１実施形態にかかる本発明の燃料電池を概略的に示す断面図である。
【図２】第２実施形態にかかる本発明の燃料電池を概略的に示す断面図である。
【図３】第３実施形態にかかる本発明の燃料電池を概略的に示す断面図である。
【図４】第４実施形態にかかる本発明の燃料電池を概略的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００６１】
１１、３１  電解質膜
１２、２２、３２、４２  アノード（アノード電極）
１２ａ、２２ａ  アノード触媒層
１２ｂ、２２ｂ  アノード拡散層
１３  カソード（カソード電極）
１５、２５、３５、４５  ＭＥＡ
１６ａ、１６ｂ  セパレータ
１００、２００、３００、４００  燃料電池
【図１】
2006244782.tif 000003
【図２】
2006244782.tif 000004
【図３】
2006244782.tif 000005
【図４】
2006244782.tif 000006